Повсеместно происходит замена обычных ламп на светодиодные. На сегодняшний день это лучший способ освещения для автомобилей и домов, более долговечный и лёгкий в замене. Итак, в чем заключается принцип работы светодиода и как его правильно выбрать?
Светодиод - это специальный электроприбор, который перерабатывает ток в некоторое свечение. На сегодняшний день светодиоды более известны как LED, что значит «светоизлучающий диод».
Прибор является полупроводниковым и состоит из кристалла-чипа, корпуса, контактных выводов и оптического устройства. Свет исходит от кристалла, а его цвет может быть различным и зависит от применяемого материала. Яркость светодиода, как и его цвет, также может быть различной. Так, например, для большего светового эффекта в одну лампу часто вставляют несколько кристаллов, вырабатывающих однотонный свет, который в комплексе образует яркое свечение.
Яркость устройства напрямую зависит от силы подаваемого на него электрического тока. В свою очередь, слишком мощный поток электроэнергии вызывает быстрый перегрев внутреннего кристалла и выводит его из строя. Ввиду этого конструкция светодиода несколько затратна по стоимости материалов, что несколько негативно сказывается на выборе таких ламп.
По яркости светодиоды принято делить на категории:
На сегодняшний день широко применяется блок светодиодов, который встраивается в лампу. Благодаря ему возможна и выбор оптимального режима свечения.
Светодиод - это лучший на сегодняшний день выбор типа освещения, который имеет ряд преимуществ:
Почему светодиоды стали популярны в автоиндустрии? Этот тип освещения идеально подходит для автомобилей, постепенно вытесняя галогенные и ксеноновые лампы. Его положительные качества:
Конечно, эти преимущества присущи только действительно качественным продуктам, поэтому экономить на них не стоит, тем более, что период их эксплуатации значительно увеличен по сравнению с китайской продукцией. Дополнительно период эксплуатации светодиодных ламп, если сравнивать с обычными, также значительно больше.
Выделяют 2 основных вида светодиодов - для подсветки (индикаторные) и для освещения. Их сила и долговечность зависят от подачи электротока, ввиду этого второй вид светодиодов служит меньший срок, так как кристалл изнашивается быстрее. Тем не менее, эти осветительные устройства очень долговечны и служат несколько тысяч часов.
Осветительный светодиод - это устройство, обеспечивающее надёжный и мощный свет. Оно широко применяется в дизайне, создавая нужный уровень освещённости.
По типу корпуса принято выделять светодиод в форме «Звезды», «Пираньи» и SMD. Среди них самыми популярными являются «Пираньи», так как их световой поток представляется более качественным. Их конструктивной особенностью является форма прямоугольника с выводами по краям, с помощью них обеспечивается жёсткое сцепление с поверхностью. Кроме того, подложка устройства обладает отличной теплоотводностью. Эти приборы используют широко в автомобилях и в рекламе. Они разнообразны по размерам и цветам: красный, белый, зелёный, синий светодиод.
Индикаторные светодиоды имеют конструкцию попроще, их свет не такой сильный и используется для подсветки дисплеев и приборных панелей. По форме выделяют круглые, овальные и прямоугольные индикаторные светодиоды.
Линзы также отличаются друг от друга, они могут быть встроены и в осветительные, и в Некоторые предназначены для рассеивания света (этих устройств подавляющее большинство), другие - для фокусировки, благодаря направленному пучку производимого света. Причём во второй группе выделяют линзы плоские, конусообразные и круглые.
По цвету линзы светодиоды бывают:
Кроме того, цветовая гамма исполнения прибора сейчас очень разнообразна. Существует жёлтый, красный, синий, зеленый светодиод и т. д. Эти цвета умело комбинируются, создавая ещё более широкий спектр. Наиболее сложно, как ни странно, получить чистый белый цвет.
Белый светодиод получают тремя способами:
Белый светодиод наиболее распространён, хоть и получить его несколько сложно. Он бывает холодным и тёплым. На лампочке обычно этот параметр указан в кельвинах, чем меньше показатель, тем цвет будет желтее и теплее. Производители рекомендуют остановить свой выбор на усреднённом параметре, хотя и к холодному, синеватому свету также можно быстро привыкнуть.
Выбор лампы для дома включает несколько этапов, где необходимо определиться с типом сети, диаметром цоколя и внешним видом самого осветительного прибора.
Светодиод 220 вольт выпущен в наиболее распространённых типах цоколя - Е27 и Е14. Цифры обозначают диаметр резьбы в миллиметрах. Первый вид ламп зачастую встречается в форме шара, второй - шара или кукурузы.
В чём же заключаются их главные преимущества? Во-первых, это возможность блокировки и настройки яркости свечения самостоятельно. Во-вторых, это выбор цветового освещения и возможность дистанционного управления им. В-третьих, долговечность эксплуатации и повышенная надёжность.
Выбирая форму, нужно обратить внимание на то, что лампы-кукурузы хоть и имеют достаточно неплохие характеристики, они всё же небезопасны. Их контакты выходят наружу, и производители отказываются в последнее время от выпуска устройств подобной формы.
Для освещения нежилых помещений или ванных комнат используются менее мощные лампы, поэтому если нет необходимости применять светодиод 220 вольт, можно обойтись маленькими плоскими приборами с цоколем G53 и GX53. Это круглые лампы, где используется несколько диодов.
Обратить внимание при приобретении лампы стоит и на следующие характеристики:
На рынке присутствует множество производителей, которые демонстрируют различный уровень качества. Соответственно, их ценовая политика поставщиков также значительно отличается.
Главным недостатком светодиодов является их стоимость. Поэтому, если уже платить немаленькие деньги за продукт, необходимо, чтобы он был действительно качественным. Поэтому стоит с ответственностью подойти к выбору производителя и поставщика.
Производителей условно можно разделить на 5 групп.
Таким образом, среди такого обилия производителей иногда достаточно сложно выбрать достойный бренд, поэтому особенно важно и нужно обращать внимание главным образом на характеристики продукта и условия его эксплуатации.
Если есть хоть малейшие познания в электрике и был опыт установки любых ламп, можно светодиод попробовать установить и самому. Для начала нужно убедиться в работоспособности ламп. Последовательность действий должна быть следующей:
В процессе эксплуатации, особенно, если это продукция китайского производства, иногда необходима замена светодиодов. Чем обращаться к специалистам, замену можно выполнить самостоятельно при наличии нужных инструментов. Раскрутив лампу, с помощью цифрового мультиметра прозванивают диоды. Они, в свою очередь, слабо подсвечиваются, и некоторые из них могут не работать. Ненужные диоды отпаивают и меняют на новые. Конечно, это происходит, когда запасные светодиоды есть в наличии, для этого можно взять старую лампу.
На сегодняшний день популярным дополнением является программа "Ардуино". Светодиод, подключая к нему, можно заставить мигать. Плата "Ардуино" имеет много возможностей, вводы-выводы, а также к ней можно подключить практически любое устройство. Эта программа способна принимать сигналы от различных устройств, что и заставляет воздействовать на них. Это лёгкая и удобная среда для программирования, с которой несложно справиться даже обычному пользователю.
Автовладельцы всё чаще переходят на новый тип освещения в своей машине. Это действительно хорошее решение не только в плане режима работы, но и относительно внешнего вида автомобиля. Авто значительно преобразится, привлекая взгляды проезжающих мимо водителей. Освещением можно смело заменить все лампы, которые используются в автомобиле.
Большая часть автопрома применяет лампы без цоколя, устанавливаемые в проёме между передними фарами. Преимуществом светодиодов является их стойкость к любым температурам, так как они находятся вблизи от главной осветительной лампы, возможен перегрев кристалла и преждевременный его выход из строя. Ввиду этого, при выборе освещения необходимо обратить внимание на дополнительную защиту светодиодов - наличие стабилизатора электротока.
При выборе ламп нужно обратить внимание на их серию, допустим, серия SF хоть и не имеет стабилизатора, вполне подходит для автомобиля, так как имеет большое количество диодов и работает в широком диапазоне, отлично освещая пространство.
Нужно также обратить внимание на размеры лампы, так, указанный пример SF - достаточно большое устройство. Нужно хорошо все продумать перед покупкой освещения.
Популярной также является серия для габаритов - СМД, которая имеет отличные характеристики, но и стоит немалых денег.
Задние стоп-сигналы принято оборудовать цокольными двухконтактными светодиодами. Наиболее популярные серии: МСД, 14НР и 3х1W. Они имеют несколько различный режим работы, отличаются количеством диодов. Но все имеют достаточно высокие показатели. Эти светодиоды являются яркими, обеспечивают насыщенный свет и долговременный срок службы.
Самые доступные по стоимости - лампы серии SF.
Перед выбором ламп для салона необходимо определиться с типом его освещения и величиной плафона.
В салон нужно подбирать лампу фестонного типа - это продолговатые устройства, размером 31-41 мм. Выделяют 3 вида светодиодов для салона.
В салонном освещении используются лампы типа SF или СМД.
Кроме того, в автомобилях широко применяется замена противотуманных фар на лампы со светодиодом. Особое внимание стоит обратить автолюбителям, желающим выделиться среди других, на подсветку светодиодной лентой и на «ангельские глазки».
Светодиод - это отличная альтернатива старым лампочкам, которая помогает решить проблему недостаточного освещения помещения. Даже при большей стоимости, чем обычная лампа, это отличное капиталовложение, так как светодиод способен служить не один год и дарить яркий свет дому и автомобилю.
В данной информационной статье мы постараемся в полной мере описать принцип работы светодиодов всех разновидностей, имеющихся в природе на сегодняшний день. Рассмотрим общее устройство LED и разберемся как получаются светоизлучающие диоды разных цветов.
Наверное, каждый человек знает, что принцип действия светодиода заключается в его «свечении» при подключении к источнику питания. Однако за счет чего это достигается? Давайте разберемся более детально в этом вопросе.
Для создания видимого светового потока конструкция светодиода предусматривает наличие двух полупроводников, один из которых в своем составе должен содержать свободные электроны, а другой – «дыры».
Таким образом, между полупроводниками возникает «P-N» переход, в результате которого электроны от донора переходят в другой полупроводник (реципиент) и занимают свободные дыры с выделением фотонов. Эта реакция проходит только при наличии источника постоянного тока.
Принцип действия разобрали, однако благодаря чему происходит этот процесс? Для этого необходимо рассмотреть конструктивную особенность светодиода.
В независимости от модели светодиода (СОВ, OLED, SMD и т.д.) они состоят из следующих элементов:
Теперь ознакомимся со способами получения различных цветов.
Ранее мы разобрали принцип работы светодиода и выяснили, что световой поток образуется при возникновении «P-N» перехода в полупроводнике с выделением фотонов видимых человеческому глазу. Однако каким же образом можно получить различное свечение светодиода? Для этого существует несколько вариантов. Рассмотрим каждый из них.
Данная технология позволяет получить практически любой цвет, однако зачастую используется для получения белых светодиодов. Для нее применяют специальный реагент – люминофор, которым покрывают красный или синий светодиод. После обработки синий светоизлучающий диод начинает светить белым.
Подобный тип устройств способен излучать любой оттенок светового спектра за счет применения в одном кристалле 3-х светодиодов: красного, зеленого и синего. В зависимости от интенсивности свечения каждого из них, меняется излучаемый свет.
Благодаря данной технологии, изменяется длина волны излучаемого светового потока в зоне «P-N» перехода. А как известно, в зависимости от длинны волны, ее цвет меняется. Более наглядно это можно увидеть на следующем фото:
Теперь давайте разберем следующий вопрос: какими электрическими характеристиками обладают данные устройства и что нужно для их надежной работы.
Светодиоды – это устройства, излучающие световой поток при прохождении через них стабилизированного постоянного напряжения низкого номинала (3-5В). За счет создания разности потенциалов на аноде и катоде в кристалле возникает электрический ток, создающий световой поток.
Для полноценной работы LED, величина тока должна быть на уровне 20-25 мА. Однако для мощных светодиодов, ток потребления может достигать 1400 мА.
При увеличении напряжения источника питания, сила тока увеличивается по экспоненте. Это означает что при незначительном скачке напряжения питания сила тока увеличивается многократно, что может привести к повышению температуры и выходу из строя светоизлучающего диода(читайте, ). Именно по этой причине источник постоянного напряжения необходимо стабилизировать с помощью специальных микросхем.
Теперь рассмотрим основные разновидности LED, их достоинства и недостатки.
Данный тип LED – это «первопроходцы» в сфере светодиодной техники. Они предназначаются для промышленности в качестве индикаторов.
Они состоят из 3-х или 5-и миллиметрового корпуса, анода, катода, кристалла, золотого (в бюджетных вариантах медного) проводника, соединяющего анод с кристаллом и рассеивателя.
На практике применяются очень редко, т.к. имеют ряд недостатков:
Мощные светоизлучающие диоды (например, фирмы ) предназначены для создания интенсивного светового потока за счет прохождения через кристалл большого тока (до 1400 мА).
На кристалле выделяется большое количество тепла, которое с помощью алюминиевого отводится от кристалла полупроводника. Также этот радиатор служит в качестве отражателя для увеличения светового потока.
Для надежной работы мощных LED необходимо наличие в схеме специального рассчитанного на прохождение большого потока электронов, который помимо стабилизации напряжения должен ограничивать ток, соответствующий номинальной работе устройства.
Филаментные LED – это устройства, состоящие из сапфирового или обычного стекла диаметр, которого не превышает 1,5мм и специально выращенных кристаллов полупроводников (28 штук) соединённых последовательно на изолированной подложке.
Эти светодиоды помещаются в специальную колбу, покрываемую люминофором, за счет чего можно получить любой цвет. Основное достоинство LED устройств, разработанных по данной технологии – это угол свечения, достигающий 360 0 .
Филаментные светоизлучающие диоды некоторые источники относят к классу COB (смотрите раздел ниже), поскольку кристаллы выращиваются на стекле или сапфире по аналогичной технологии.
Технология СОВ или же Chip-On-Board – это одна из современных разработок в сфере электроники, заключающаяся в помещении большого количества кристаллов полупроводника с помощью диэлектрического клея на алюминиевую подложку. Также изготовление светодиодов подобного типа возможно на стеклянной матрице (COG) однако принцип работы у них одинаков.
Полученная матрица покрывается люминофором. В результате удается достичь равномерного свечение COB светодиода любого оттенка по всей площади. Данные устройства широко применяются в разработке телевизоров, ноутбуков и планшетов.
Несмотря на то, что СОВ светодиоды имеют специфическое название, принцип его действия полностью аналогичен обычным индикаторным светоизлучающим диодам разработанных в 1962 году. При прохождении тока через кристаллы полупроводника возникает «P-N» переход и как следствие – световой поток.
Отличительной особенностью данного типа устройств является наличие большого количество кристаллов, что позволяет получить более интенсивный световой поток.
Самое новое достижение в сфере производства – это технология OLED. Она позволяет производить высокотехнологические телевизоры с тонким дисплеем, миниатюрные смартфоны, планшеты и еще многие другие приборы, без которых не обойтись в современном обществе.
Светоизлучающий диод OLED состоит из:
Принцип действия OLED аналогичен светодиодам СОВ, SMD и DIP и заключается в образовании «P-N» перехода в полупроводниках. Однако отличительной особенностью технологии ОЛЕД является применение специальных полимеров, из которых состоит светоизлучающая прослойка, за счет которой увеличивается светодиода, световой поток видимого спектра и угол свечения.
Мы рассмотрели основные типы светоизлучающих диодов, которые применяются в современном мире, однако на ряду с ними, корейские ученые пошли дальше и разработали LED на основе волокон, которые по их обещаниям вытеснят все устаревшие типы устройств. Давайте рассмотрим, что они собой представляют.
Для производства светодиодов данной ниши применяют нити терефталата полиэтилена обработанные раствором PEDOT:PSS polystyrene sulfonate. После обработки нить будущего светодиода просушивают при температуре 130 0 С.
После, заготовку обрабатывают по технологии OLED специальным полимером poly-(p-phenylenevinylene) polymer и полученные волокна покрывают тонким слоем суспензии литий-алюминиевого фторида.
Мы рассмотрели основные типы светодиодов, которых как Вы можете видеть существует огромное количество. Однако по принципу работы они все одинаковы.
Также можно сказать, что благодаря применению современных материалов и можно добиться высоких технических показателей и более надежной и длительной работы светодиодов.
Отправим материал вам на e-mail
Современные изделия с геометрическими параметрами 5,7×3 мм. Благодаря своим стабильным характеристикам светодиоды SMD 5730 относятся к категории сверхъярких изделий. Для их изготовления используются новые материалы, благодаря чему они имеют повышенную мощность и высокоэффективный световой поток. SMD 5730 допускают эксплуатацию работать в условиях повышенной влажности. Они не боятся вибрации и температурных колебаний. Отличаются продолжительным сроком службы. Имеют угол рассеивания 120 градусов. После 3000 часов работы степень не превышает 1%.
Производители предлагают приборы двух видов: с мощностью 0,5 и 1 Вт. Первые маркируются SMD 5730-0,5, вторые – SMD 5730-1. Прибор может функционировать на импульсном токе. Для SMD 5730-0,5 номинальный ток равен 0,15 А, а при переходе на импульсный режим работы может достигать 0,18 А. Способен сформировать световой поток до 45 Лм.
Для SMD 5730-1 номинальный ток равен 0,35А, импульсный может достигать 0,8А при эффективности светоотдачи 110 Лм. Благодаря использованию в процессе производства термостойкого полимер, корпус прибора не боится воздействия достаточно высоких температур (до 250°С).
Продукция американского производителя представлена в широком ассортименте. Серия Xlamp включает однокристальные и многокристальные изделия. Для первых характерно распределение излучения по краям прибора. Такое инновационное решение позволило наладить выпуск светильников с большим углом свечения при минимальном количестве кристаллов.
Серия XQ-E High Intensity является новейшей разработкой компании. Изделия обладают углом свечения 100-145 градусов. При сравнительно небольших геометрических параметрах 1,6 на 1,6 мм такие светодиоды имеют мощность 3 В при световом потоке 330 Лм. Характеристики светодиодов Cree на базе одного кристалла позволяют обеспечить качественную цветопередачу CRE 70-90.
Многокристальные LED-приборы имеют новейший тип питания 6-72 В. Их принято делить три группы в зависимости от мощности. Изделия до 4 Вт имеют 6 кристаллов и выпускаются в корпусах типа MX и ML. Характеристики светодиода XHP35 соответствуют мощность 13 Вт. Имеют угол рассеивания 120 градусов. Могут быть теплого или холодного белого цвета.
Иногда возникает необходимость в проверке работоспособности светодиода. Сделать это можно с помощью мультиметра. Тестирование выполняется в следующей последовательности:
| Фото | Описание работ |
|---|---|
 | Готовим необходимое оборудование. Подойдет обычная китайская модель мультиметра. |
 | Выставляем режим сопротивления, соответствующие 200 Ом. |
 | Прикасаемся контактами к проверяемому элементу. Если светодиод является рабочим, то он начнет светиться. |
Внимание! Если контакты перепутать местами, характерного свечения наблюдаться не будет.
Чтобы приобрести светодиод нужного цвета, предлагаем ознакомиться с условным обозначением цветности, входящей в состав маркировки. У CREE оно располагается после обозначения серии светодиодов, и может быть:
Другие производители часто используют другое условное обозначение. Так KING BRIGHT позволяет подобрать модель с излучением не только определенного цвета, но и оттенка. Присутствующее в маркировке обозначение будет соответствовать:
Совет! Ознакомиться с условными обозначениями конкретного производителя, чтобы сделать правильный выбор.
Для изготовления светодиодной ленты используется диэлектрик, имеющий толщину 0,2 мм. На него наносятся токопроводящие дорожки, имеющие контактные площадки под чипы, предназначенные для монтажа SMD-компонентов. Лента включает отдельные модули, имеющие длину 2,5-10 см и рассчитанные на напряжение 12 либо 24 вольта. В состав модуля может входить 3-22 светодиода и несколько резисторов. Длина готовых изделий в среднем составляет 5 метров при ширине 8-40 см.
На бобину либо упаковку наносятся маркировку, в которой содержится вся актуальная информация о светодиодной ленте. Расшифровка маркировки можно увидеть на следующем рисунке:
Статья
В переводе с английского сокращение LED дословно означает «диод, который излучает свет». Это полупроводниковое устройство, способное трансформировать электрический ток в простое приспособление, конструкция которого довольно сильно отличается от привычных нам изделий для освещения (лампы накаливания, разрядные, люминесцентные лампы и т. д.).
Как работает светодиод, будет интересно узнать каждому. Этот прибор не имеет изначально ненадежных хрупких элементов конструкции и стеклянной колбы (в отличие от других ламп). Стоимость диодов настолько мала, что ненамного отличается от батареек, которые служат их источником питания. Популярность подобных изделий объясняется рядом факторов, в том числе и их конструкцией.
Рассматривая вопрос, почему работают светодиоды, следует изучить историю их возникновения. Впервые подобное устройство было создано в 1962 г. ученым Н. Холоньяком. Это был монохромный свечения. Он имел ряд недостатков, но сама технология была признана перспективной.
Спустя 10 лет после создания красного диода появились зеленые и желтые разновидности. Их применяли в качестве индикаторов во многих электронных приборах. Интенсивность светового потока диодов благодаря научным разработкам постоянно возрастала. В 90-х годах был создан осветитель с эффективностью потока 1 люмен.
В 1993 году С. Накамура создал первый синий диод, который характеризовался высокой яркостью. С этого момента стало возможным создавать любой цвет спектра (в том числе белый). Технологии неустанно развивались.
При соединении синего и ультрафиолетового типа диодов получается белый люминофорный осветитель. Они стали постепенно вытеснять лампы накаливания. К 2005 году выпускались диоды с мощностью светового потока до 100 лм и даже выше. Стали изготавливать белые осветительные приборы с разными оттенками (теплые, холодные).
Чтобы понять, как работает точечный светодиод, необходимо подробно рассмотреть его устройство. Этот осветительный прибор, по мнению представителей Ассоциации развития оптоэлектронной индустрии и департамента энергетики, в скором времени станет самым востребованным источником освещения в обычных домах, офисах, учреждениях.
Светодиод имеет основой полупроводниковый кристалл. Он пропускает электрический ток только в одну сторону. Кристалл расположен на особой подложке. Она не проводит ток. Корпус защищает кристалл от внешних воздействий. Он имеет выходы в виде контактов, а также оптическую систему.
Чтобы повысить продолжительность эксплуатации прибора, пространство между пластиковой линзой и самим кристаллом заполнили прозрачным силиконовым компонентом. Чтобы отводить избыточное тепло, применяется алюминиевая основа. Это обычное устройство современного диода. При работе он выделяет относительно небольшое Это также является преимуществом прибора.
Рассматривая, как работает светодиод, необходимо вникнуть в основной принцип работы подобных устройств. Прибор представленного типа имеет один электронно-дырчатый переход. Это связано с разным принципом проводимости компонентов осветителя. Один полупроводник имеет излишек электронов, а другой - излишек дырок.
При помощи процесса легирования дырчатый материал обогащается носителями отрицательного заряда. Если в месте обогащения полупроводников противоположными зарядами приложить ток, получится прямое смещение. Через переход этих двух материалов побежит электричество.
При этом в корпусе диода происходит сплавление носителей зарядов с различным электрическим статусом. Когда дырки и электроны сталкиваются, выделяется определенное количество энергии. Это квант светового потока. Его называют фотоном.
При создании диодов применяются различные полупроводниковые материалы. Это определяет цвет, который испускает при работе представленное устройство. Разные материалы способны посылать в пространство волны разной длины. Это позволяет человеческому глазу увидеть тот или иной цвет видимого спектра.
Изучая вопрос, как работает светодиод, следует рассмотреть материалы полупроводников. Раньше в подобных целях применялись фосфид галлия, тройные соединения GaAsP, AlGaAs. При этом прибор мог посылать в пространство красный, желто-зеленый
Представленная технология ныне применяется только для индикаторных устройств. Сегодня для таких изделий используют алюминий индий-галлий (AllnGaP) и индий-нитрид галлия (InGaN). Они выдерживают довольно высокий уровень проходящего тока, высокие показатели влажности и нагрева. Возможна комбинация светодиодов разных типов.
Современные диодные ленты могут выдавать разные оттенки светового потока. Один прибор может производить монотонный цвет. При создании многокристального устройства возможно получить огромное количество различных оттенков. Подобно монитору телевизора или компьютера, диод может создать любой цвет при помощи модели RGB (расшифровывается как красный, зеленый, синий).
Это простой принцип, позволяющий понять, как работают RGB-светодиоды. При помощи этой технологии можно создавать и белое освещение. Для этого все три цвета смешиваются в равной пропорции.
Однако, помимо представленной технологии, можно получить белое свечение при соединении диода коротковолнового излучения (ультрафиолетовый, синий) вместе с желтым покрытием люминофорного типа. При комбинации фотонов желтого и синего цвета в итоге получается белое свечение.
Чтобы понять, от скольких вольт работают светодиоды, необходимо рассмотреть производство этих устройств. В первую очередь следует отметить, что приборы с матрицей типа RGB стоят дороже, чем люминоформы. Причем последние позволяют добиться освещения высокого качества.
Недостатком люминофоров является меньшая светоотдача, а также различная окраска (температура) потока. Это устройство стареет быстрее, чем светодиод. Поэтому в продажу поступают осветительные приборы обоих принципов работы. Для создания индикаторов производятся диоды с потреблением 2-4 В напряжения постоянного типа (при токе 50 мА).
Для создания полноценного освещения необходимы устройства с таким же потреблением напряжения, но более высоким уровнем тока - до 1 А. Если в одном модуле диоды подключить последовательно, суммарное напряжение будет достигать 12 или 24 В.
Рассматривая вопрос, от какого напряжения работают светодиоды, следует сказать о повышении яркости представленных устройств. Мощность таких приборов достигает 60 мВт. Если подобные диоды установить в средний по габаритам корпус, световых элементов потребуется установить 15-20 шт.
Диоды с усиленной яркостью свечения могут нести в себе мощность до 240 Вт. Чтобы обеспечить нормальную подсветку, подобных элементов потребуется 4-8 шт. В продаже представлены устройства, способные полноценно освещать помещения, наружную рекламу, витрины и т. д. Некоторые ленты создаются для выполнения подсветки средней или малой интенсивности.
Для подключения представленного оборудования применяют блоки управления соответствующей мощности. Для цветных лент возможно применять контроллеры, управляющие не только интенсивностью освещения, но и задающие оттенки и режимы работы устройства.
Существует огромное количество вариантов представленного оборудования. Есть светодиоды, работающие от батареек (например, в фонариках), запитанные в стационарную сеть. Их применяют как для внутренней, так и внешней работы. В зависимости от условий применения подбирается соответствующий класс защиты диода.
Чтобы отрегулировать яркость свечения, напряжение питания не снижают. Для уменьшения интенсивности свечения применяется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). В этом случае приобретается блок управления.
Представленный метод заключается в подаче на диод импульсно-модулированного тока. Частота сигнала при этом достигает тысяч герц. Может изменяться ширина импульсов и интервалов пауз. При этом можно управлять свечением прибора. Диод в этом случае не погаснет.
Диоды считаются долговечными устройствами. Это объясняется их конструкцией. Однако если не работают светодиоды на лампе, возможно, срок их эксплуатации вышел. Это можно определить по насыщенности свечения и изменению цвета.
Также специалисты отмечают, что срок эксплуатации маломощных устройств гораздо продолжительнее. Но даже в самых ярких лентах или лампах диоды гарантированно работают 20-50 тыс. часов. Так как они не имеют хрупких элементов конструкции, механические воздействия с большей вероятностью не нанесут вреда подобным осветителям.
Изучив, как работает светодиод, можно понять принцип устройства этого прибора, а также его эксплуатационные характеристики. Это оборудование считается осветителями будущего поколения.
СВЕТОДИОД Графическое обозначение
Светоизлучающий диод (СИД) является полупроводниковым источником света. Светодиоды используются в качестве индикаторов во многих устройствах и все чаще используются для освещения. В качестве электронного компонента, пригодного для практического использования, был разработан в 1962 году. Первые образцы излучали красный свет низкой интенсивности, но современные версии излучают во всей видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра с очень высокой яркостью.
Светодиод разработан на базе полупроводникового диода. Когда на диод подается рабочее напряжение, электроны с дырками меняются местами, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект называется электролюминесценцией и цвет света (соответствует энергии фотона) определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Светодиодные кристаллы, как правило, небольшие по площади (менее 1 мм2), диаграмма распределения света и индекс отражения формируется дополнительной оптической системой, входящей в конструкцию светодиода. Светодиоды имеют много преимуществ по сравнению с лампами накаливания и другими источниками света, включая низкое потребление энергии, большой срок службы, повышенную надежность, меньший размер, быстрое включение и большую долговечность. Тем не менее, они достаточно дороги и имеют повышенные требования к питанию и рассеиванию тепла по сравнению с традиционными источниками света. Текущие образцы светодиодной продукции для общего освещения являются более дорогостоящими, чем флуоресцентные источники сопоставимых параметров.
Светодиоды все чаще используются в автомобильной электронике в качестве указателей поворотов, габаритных огней и стоп-сигналов. Светодиодные светофоры уже являются обыденным способом регулировки движения. Компактные размеры светодиодов позволяют разрабатывать новые типы дисплеев и экранов, а их высокая скорость переключения полезна в передовых коммуникационных технологиях.
В 1961 году разработчики Р.Бард и Г.Питман, работающие в компании Texas Instruments, обнаружили что сплав арсенида галлия производит инфракрасное излучение при пропускании через него электрического тока и получили патент на ИК светодиод.
Первый светодиод, излучающий свет видимого спектра, был изобретен в 1962 году Н.Холоньяком, работающим в компании General Electric. С тех пор многие называют его "отцом" современных светодиодов. Чтобы понять, что это не так, достаточно изучить исторические справки о исследованиях О.В.Лосева и других именитых ученых 20-50 г.г. двадцатого века. Однако история несправедлива, и мы имеем то, что имеем, и в 60-х годах Россия потеряла приоритет в изобретении полупроводниковых источников света.
В 1972 году бывший студент Холоньяка Г.Грэфорд изобрел желтый светодиод и увеличил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в десять раз. В 1976 году Т.Пирсэлл создал первый сверхяркий светодиод для световолоконных телекоммуникаций, изобретя новые полупроводниковые сплавы, специально приспособленные для передачи света по оптоволокну.
Вплоть до 1968 года видимые и инфракрасные светодиоды имели огромную себестоимость, около 200 USD за штуку, что создавало трудности для практического применения. Но в 1968 году фирма Monsanto впервые организовала массовое производство светодиодов видимого света на базе арсенида-фосфида галлия (GaAsP), пригодных для применения в качестве индикаторов. Компания Hewlett Paccard, представившая светодиоды в 1968 году, использовала светодиоды Monsanto для производства цифровых дисплеев и калькуляторов.
Благодаря этому открытию светодиодные технологии начали бурно развиваться. В феврале 2008 года сотрудники Bilkent university в Турции заявили о получении 300 люмен видимого света на один ватт световой мощности. Это был белый цвет теплого оттенка, полученный с использованием нанокристаллов.
В январе 2009 года исследователи из Кембриджа под предводительством С. Хэмфри доложили о выращивании нитрида галлия на подложке из кремния. Этот способ позволяет сократить производственные затраты при производстве сверхярких светодиодов на 90% по сравнению с выращиванием структур на сапфировой подложке.
Принцип
работы светодиода
Как и обычный диод, светодиод содержит кристаллы полупроводников, создающих p-n переход. Как и в обычном диоде, ток легко проходит в прямом направлении от анода к катоду и не проходит в обратном. Когда электроны встречаются с дырками, они теряют энергию, которая преобразуется в фотоны. Длина волны, на которой излучаются фотоны, зависит от материала, образующего p-n переход.
Изобретние светодиодов начиналось с изготовления структур на базе арсенида галлия, излучающих красный и инфракрасный свет. Нынешнее развитие полупроводниковых технологий позволяет получить видимый свет самых разных цветов.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами (диэлектриками). При низкой температуре большинство внешних электронов в полупроводнике "сидит" в атомах на своих местах. Но связаны они с атомами слабее, чем в изоляторе. Причем при росте температуры сопротивление полупроводников падает, то есть полупроводник при нагревании не уменьшает свою электропроводность, как металл, а, наоборот, увеличивает ее. Иначе говоря, в полупроводнике увеличивается количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.
При подведении энергии (теплоты или света) в кристаллических решетках полупроводников часть электронов "убегает" из верхних атомных оболочек, при этом образуется положительный заряд. То место, где в решетке не хватает электрона, называют "дыркой".
Под действием электрического напряжения электроны дрейфуют к одному электроду (положительному полюсу), а дырки - к другому (отрицательному), причем их место тут же занимают свободные электроны. Закономерности движения дырок таковы, что этим "пустым местам" физики условно приписывают и заряд (равный заряду электрона, но положительный), и "эффективную массу".
В чистом полупроводнике, проводимость которого обусловлена тепловым возбуждением, одинаковое число электронов и дырок движется в противоположных направлениях. Если добавлять в полупроводник атомы других элементов, его проводимость можно существенно увеличить. При введении легирующих примесей в различные части кристаллической решетки полупроводника возникает так называемая примесная проводимость (в отличие от собственной проводимости), которая, в зависимости от валентности легирующих элементов, называется либо электронной (проводимостью n-типа), либо дырочной (p-типа).
В одном и том же образце полупроводникового материала один участок может обладать р-проводимостью, а другой - n-проводимостью. Между такими областями возникает пограничный слой, через который диффундируют основные носители (электроны или дырки), стремясь уравнять значения концентрации по обе стороны от слоя. На образующийся в этом слое p-n-переход можно воздействовать внешним напряжением, усиливая или, наоборот, "запирая" ток, проходящий через кристалл, - на основании этого принципа работают диоды и транзисторы. При положительной полярности внешнего напряжения (плюс - к p-зоне, минус - к n-зоне) барьер в p-n-переходе понижается, и происходит "перескакивание" (рекомбинирование) электронов и дырок в противоположные зоны, в результате чего выделяется энергия.
Сначала полупроводниковые приборы были только "гомопереходными" (как в случае с первым транзистором) - p-n-переход происходил внутри кристалла одного химического вещества. Но почти сразу появилась и идея гетероустройств, в которых такой переход образуется на стыке двух различных полупроводников. Реализация этой идеи позволила создать более миниатюрные приборы с большей эффективностью и функциональностью (так, первые в мире "гомопереходные" полупроводниковые светодиоды, а затем и лазеры могли работать только при температуре жидкого азота, а появившиеся позже гетеропереходные функционируют и при комнатной температуре).
Большинство материалов, используемых при производстве светодиодов, имеют очень высокий уровень отражения. Это необходимо для того, чтобы как можно больше света, производимого светодиодом, выходило с его поверхности за пределы корпуса. Именно поэтому этому посвящено большое количество исследований во всем мире.
Одной из ключевых позиций определения эффективности светодиода является световой выход на единицу мощности. Белый светодиод быстро достиг и превзошел показатели обычных систем на базе ламп накаливания. В 2002 году компания Lumileds произвела 5 Вт светодиод со значениями светового выхода на уровне 18-22 люмен/Ватт. Для сравнения, обычная лампа накаливания мощностью 60-100 Вт производит около 15 люмен на ватт. Люминесцентная лампа - около 100 Лм/Вт. Основной проблемой при разработке мощных светодиодов является падение светового потока при повышении тока, проходящего через кристалл.
В сентябре 2003 года компания Cree продемонстрировала новый тип синего светодиода, производящий 24 мВт при токе 20 мА. Это позволило наладить коммерческого производство белых светодиодов с эффективностью 65 Лм/Вт при токе 20 мА, которые стали наиболее яркими на тот момент на рынке и превысили эффективность ламп накаливания более чем в четыре раза. В 2006 году эта же компания представила прототип белого светодиода со световым выходом 131 Лм/Вт на 20 мА.
Нужно отметить, что мощность СИД 1 Вт и более вполне достаточна для коммерческого применения в качестве источника основного освещения. Типовой ток подобных светодиодов - 350 мА. Хотя ведущие производители и производят светодиоды с эффективностью выше 100 Лм/Вт, в условиях реального использования многое зависит от условий эксплуатации и конструкции светильника. Энергетический департамент США, который в 2008 году проводил тестирование светодиодных ламп, представленных в широкой продаже, предоставил данные, говорящие о том, что большинство таких ламп имеет среднюю эффективность на уровне 31 Лм/Вт.
Компания Cree 19 Ноября 2008 года предоставила данные о лабораторном прототипе светодиода с эффективностью 161 Лм/Вт при комнатной температуре и температуре света 4689 К.
| Цвет | Длина волны (nm) | Вольтаж (V) | Материал полупроводника | |
|---|---|---|---|---|
| Инфракрасный | λ > 760 | ΔV < 1.9 | Gallium arsenide (GaAs) Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) |
|
| Красный | 610 < λ < 760 | 1.63 < ΔV < 2.03 | Aluminium gallium arsenide (AlGaAs) |
|
| Оранжевый | 590 < λ < 610 | 2.03 < ΔV < 2.10 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) |
|
| Желтый | 570 < λ < 590 | 2.10 < ΔV < 2.18 | Gallium arsenide phosphide (GaAsP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Gallium(III) phosphide (GaP) |
|
| Зеленый | 500 < λ < 570 | 1.9 [ 32] < ΔV < 4.0 | Indium gallium nitride (InGaN) / Gallium(III) nitride
(GaN) Gallium(III) phosphide (GaP) Aluminium gallium indium phosphide (AlGaInP) Aluminium gallium phosphide (AlGaP) |
|
| Синий | 450 < λ < 500 | 2.48 < ΔV < 3.7 | Zinc selenide (ZnSe) Indium gallium nitride (InGaN) Silicon carbide (SiC) as substrate Silicon (Si) as substrate - (в разработке) |
|
| Фиолетовый | 400 < λ < 450 | 2.76 < ΔV < 4.0 | Indium gallium nitride (InGaN) | |
| Пурпурный | разные типы | 2.48 < ΔV < 3.7 | Dual blue/red LEDs, синий с красным фосфором, белый с пурпурным фильтром |
|
| Ультрафиолетовый | λ < 400 | 3.1 < ΔV < 4.4 | diamond (235 nm) [
33]
Boron nitride (215 nm) [ 34] [ 35] Aluminium nitride (AlN) (210 nm) [ 36] Aluminium gallium nitride (AlGaN) Aluminium gallium indium nitride (AlGaInN) - (down to 210 nm) [ 37] |
|
| Белый | Широкий спектр | ΔV = 3.5 | Синий/УФ диод и желтый фосфор |
Синий светодиод
Синие светодиоды базируются на сплавах GaN и InGaN. Комбинация с красным и зеленым светодиодами позволяет получить чистый белый цвет, но такой принцип формирования белого сейчас используется редко.
Первый синий светодиод был изготовлен в 1971 году Jacques Pankove (изобретателем нитрида галлия). Но он производил слишком мало света, чтобы его можно было использовать на практике. Первый яркий синий диод был продемонстрирован в 1993 году и получил широкое распостранение.
Есть несколько типов многоцветных белых светодиодов - ди-, три-, и тетрахроматичные. Есть несколько ключевых особенностей каждого из этих типов, включая стабильность цвета, цветопередачу и световую эффективность. Высокая световая эффективность подразумевает низкий индекс цветопередачи (CRI). Например, дихроматичный белый светодиод имеет лучшую световую эффективность (около 120 Лм/Вт), но самый низкий CRI. Тетрахроматичный - небольшую световую эффективность, но превосходный CRI. Трихроматичный находится примерно посередине.
Хотя многоцветные светодиоды являются не самым оптимальным решением для получения белого цвета, их использование позволяет создавать системы, производящие миллионы различных оттенков цвета. Основная проблема при этом - разные значения световой эффективности для основных цветов. При повышении температуры это вызывает "уплывание" необходимого цвета и, как следствие, более жестких требований к системам питания и контроля.
СИД на базе фосфора имеют меньшую эффективность, чем обычные светодиоды, так как часть света рассеивается в слое фосфора, к тому же сам фосфор также подвержен деградации. Тем не менее это способ остается наиболее популярным при коммерческом производстве белых светодиодов. Наиболее часто используется желтый фосфорный материал Ce3+:YAG.
Также белые светодиоды могут быть изготовлены на базе ультрафиолетовых светодиодов с примененим фосфора красного и синего цвета с добавлением сульфида цинка (ZnS:Cu,Al) . Этот принцип аналогичен используемому в лампах дневного света. Этот способ хуже предыдущего, но позволяет добиться лучшей цветопередачи. К тому же ультрафиолетовые диоды имеют большую световую эффективность. С другой стороны, УФ излучение вредно для человека.
По сравнению с обычными светодиодами, OLED светлее, а полимерные вдобавок позволяют делать источник света гибким. В будущем на базе таких светодиодов планируется изготовление гибких недорогих дисплеев для портативных устройств, источников света, декоративных систем, светящейся одежды. Но пока уровень разработки OLED не допускает их коммерческое применение.
В сентябре 2009 года компания Nanoco Group объявила о заключении исследовательского соглашения с одной из крупнейших японских компаний. Темой исследований является дальнейшая разработка технологии "квантовых точек" для применения в жидкокристаллических телевизионных дисплеях.
Продолжение следует
